UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL
ESCOLA DE ENGENHARIA
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA DE MINAS, METALÚRGICA
E DE MATERIAIS
FACUNDO SEBASTIÁN LÓPEZ
MONTAGEM E AVALIAÇÃO DE UMA
MÁQUINA DE SOLDA POR FRICÇÃO
Porto Alegre
2010
FACUNDO SEBASTIÁN LÓPEZ
MONTAGEM E AVALIAÇÃO DE UMA
MÁQUINA DE SOLDA POR FRICÇÃO
Dissertação de mestrado apresentada ao Programa
de Pós-Graduação em Engenharia de Minas, Metalúrgica e de Materiais da Universidade Federal
do Rio Grande do Sul como parte dos requisitos
para a obtenção do título de Mestre em Engenharia.
Área de concentração: Ciência e Tecnologia dos
Materiais.
ORIENTADOR: Prof. Dr. Telmo Strohaecker
Porto Alegre
2010
FACUNDO SEBASTIÁN LÓPEZ
MONTAGEM E AVALIAÇÃO DE UMA
MÁQUINA DE SOLDA POR FRICÇÃO
Esta dissertação foi julgada adequada para a obtenção do título de Mestre em Engenharia e aprovada
em sua forma final pelo Orientador e pela Banca
Examinadora.
Orientador:
Prof. Dr. Telmo Strohaecker, UFRGS
Doutor pela UFRGS – Porto Alegre, Brasil
Banca Examinadora:
Prof. Dr. Fabiano Dornelles Ramos, IFRS
Doutor pela UFRGS – Porto Alegre, Brasil
PhD. Thomas G.R. Clarke, UFRGS
Doutor pelo Imperial College – Londres, Reino Unido
Prof. Dr. Mario Wolfart Júnior, IFRS
Doutor pela UFRGS – Porto Alegre, Brasil
Coordenador do PPGE3M:
Prof. Dr. Carlos Pérez Bergmann
Porto Alegre, Dezembro de 2010.
AGRADECIMENTOS
O autor agradece ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Minas, Metalúrgia e
de Materiais (PPGE3M) pela oportunidade de realização de trabalhos e excelente predisposição
dos funcionários.
Aos diretores, funcionários, colegas e bolsistas do Laboratório de Metalurgia Física (LAMEF) da UFRGS: ao Prof. Telmo R. Strohaecker pela orientação e correção minuciosa deste
trabalho; ao Prof. Afonso Reguly pelas conversas orientadoras; ao Gabriel A. Tarnowski por
ter me incorporado ao laboratório e encaminhado no área de projetos mecânicos; ao Leandro V.
de Andrade com quem temos trabalhado no desenvolvimento do equipamento; ao Germán C.
Tarnowski por ter me encorajado a utilizar o LATEX; ao Fabiano Mattei pelas inúmeras conversas
de estratégias de controle hidráulico; ao Guillermo A. Mudry pela predisposição e assistência
no diagnóstico da máquina de solda; ao Fabiano Bertoni pelo constante assessoramento em
desenho computacional avançado; ao grupo de Robótica, Controle e Automação (RCA) pela
monitoração das vibrações durante algumas avaliações; ao Rogério e ao Rodrigo pela operação
da máquina de eletroerosão, ao Diego Belato Rosado pela preparação das amostras e à equipe
de Tecnologia Submarina (TS) pelo espírito de superação.
À Fundação de Apoio a UFRGS (FAURGS) por ministrar as bolsas de projeto.
Agradeço também às pessoas que ajudaram muito, mesmo estando longe: Eng. Cristina
Haupt da Faculdade de Engenharía da Universidad Nacional de Misiones (UNaM) por me propor a fazer um mestrado e pela gestão da bolsa inicial; aos meus pais: Miguel A. López e
Beatriz I. Eibl pelo apoio e exemplo de disciplina e perseverança.
Por último agradeço especialmente a Viviana M. Ferreyra pelo incentivo, apoio incondicional e finais de semana cedidos para conclusão do trabalho.
RESUMO
Um processo alternativo à solda por arco para aplicação em materiais de difícil junção ou
em ambientes submersos é a solda por fricção. Neste trabalho foi desenvolvido um equipamento de solda por fricção para pesquisas e determinação de parâmetros ótimos de soldagem
em diferentes meios. Para verificar o desempenho do equipamento foi utilizado o processo de
solda por fricção de pinos consumíveis. Os registros das variáveis de soldagem permite avaliar
o comportamento do sistema para a faixa de operação utilizada. Diferentes uniões de aço de
baixo carbono e aço de baixa liga foram obtidas. Mediante análises macrográficas da junta foi
avaliada a zona afetada pelo calor e a presença de regiões com possível falta de preenchimento.
O controle servohidráulico desenvolvido apresenta uma resposta dinâmica adequada para esta
aplicação, no entanto são apresentadas algumas propostas de melhorias.
Palavras-chave: Máquina de solda por fricção, pinos consumíveis, controle servohidráulico, parâmetros de solda.
ABSTRACT
An alternative process to the conventional arc welding for mating difficult-to-join materials or in underwater environment is friction welding. During this work a friction welding
equipment was developed for research and determination of optimum welding parameters under different environments. To evaluate the equipment performance the friction hydro pillar
processing method was used. Data acquisition of the welding parameters allows assessing the
system behavior within the operational range. Joints of low carbon and low alloy steels have
been obtained. Macrographic analyses of the weld joint were performed to evaluate the heat
affected zone and the presence of unfilled regions. The servohydraulic control developed have
shown an adequate dynamic response for this application, nevertheless some improvements are
proposed.
Keywords: friction welding equipment, servohydraulic control, welding parameters, friction hydro pillar processing.
SUMÁRIO
LISTA DE FIGURAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8
LISTA DE TABELAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10
LISTA DE ABREVIATURAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11
1
INTRODUÇÃO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12
2
REVISÃO DA LITERATURA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
15
Processo de Solda por Fricção . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
15
2.1.1
Princípios Básicos do Processo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
15
2.1.2
Etapas Características . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
16
2.1.3
União de materiais similares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
17
2.1.4
União de materiais dissimilares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
18
2.1.5
Soldabilidade dos Aços . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
20
2.1.6
Vantagens e Limitações do Processo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
20
2.1.7
Variantes do Processo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
23
2.1.8
Solda por Fricção de Pinos Consumíveis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
25
Máquinas de Solda por Fricção . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
27
2.2.1
Classificação pelo Método de Acionamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
27
2.2.2
Equipamentos Desenvolvidos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
29
PROJETO DA MÁQUINA DE SOLDA POR FRICÇÃO . . . . . . . . . . . .
36
3.1
Descrição Geral . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
36
3.2
Circuito de Controle Hidráulico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
39
MATERIAIS E MÉTODOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
43
4.1
Materiais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
43
4.2
Geometria dos Componentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
43
4.3
Procedimento de Soldagem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
45
4.4
Testes Preliminares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
47
2.1
2.2
3
4
4.5
Avaliação Visual . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5 RESULTADOS E DISCUSSÃO . . . .
5.1
Testes Preliminares . . . . . . . . . . .
5.2
Composição Química e Soldabilidade .
5.3
Aquisição de Dados . . . . . . . . . . .
5.4
Caracterização das Macrografias . . .
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. . . . . . . . . . . . . .
49
49
51
52
56
6
CONCLUSÕES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
58
7
TRABALHOS FUTUROS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
59
REFERÊNCIAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
60
APÊNDICE A
62
COMBINAÇÃO DE MATERIAIS SOLDADOS POR FRICÇÃO .
LISTA DE FIGURAS
Figura 1:
Processo básico de solda por fricção . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
16
Figura 2:
Evolução dos parâmetros durante a solda por fricção . . . . . . . . . . . .
17
Figura 3:
Soldabilidade dos aços em função do CE . . . . . . . . . . . . . . . . . .
21
Figura 4:
Radial Friction Welding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
23
Figura 5:
Friction Surfacing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
23
Figura 6:
Friction Lap Seam Welding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
24
Figura 7:
Friction Co-extrusion Cladding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
25
Figura 8:
Linear Friction Welding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
25
Figura 9:
Solda por Fricção de Pinos Consumíveis . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
27
Figura 10:
Máquina com acionamento inercial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
28
Figura 11:
Ciclo de solda com acionamento inercial . . . . . . . . . . . . . . . . . .
29
Figura 12:
Máquina com acionamento continuo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
29
Figura 13:
Ciclo de solda com acionamento continuo . . . . . . . . . . . . . . . . . .
30
Figura 14:
Classificação dos tipos de solda por fricção . . . . . . . . . . . . . . . . .
31
Figura 15:
Componentes básicos de uma máquina de solda por fricção . . . . . . . . .
32
Figura 16:
a) Equipamento da Proserv - Offshore para solda por fricção; b) Pino roscado, soldado por fricção a topo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
33
Figura 17:
Equipamento do Instituto de pesquisa GKSS . . . . . . . . . . . . . . . .
34
Figura 18:
Unidade desenvolvida na Universidade Federal de Uberlândia. . . . . . . .
34
Figura 19:
Solda submersa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
35
Figura 20:
Esquema do sistema de solda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
36
Figura 21:
Bloco de válvulas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
37
Figura 22:
Esquema da caixa de rolamentos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
38
Figura 23:
Projeto da máquina de solda por fricção . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
39
Figura 24:
Esquema básico de controle em malha fechada . . . . . . . . . . . . . . .
39
Figura 25:
Esquema da servoválvula MOOG - G761 . . . . . . . . . . . . . . . . . .
40
Figura 26:
Esquema da servoválvula MOOG D661 com sistema jato-receptor . . . . .
41
Figura 27:
Motor hidráulico Parker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
41
Figura 28:
Cilindro hidráulico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
41
Figura 29:
Figura 30:
Desenho computacional . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Estação de solda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
42
42
Figura 31:
Figura 32:
Figura 33:
Figura 34:
Figura 35:
Figura 36:
Geometria do Furo no Bloco . . . . . . .
Geometria da Ponta do Pino . . . . . . .
Seção pino - bloco . . . . . . . . . . . .
Programa de Procedimento de Soldagem
Representação gráfica da matriz de teste .
Corte por eletroerosão a fio dos CPs. . . .
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44
45
45
47
48
Figura 37:
Figura 38:
Figura 39:
Figura 40:
Figura 41:
Figura 42:
Figura 43:
Figura 44:
Figura 45:
Figura 46:
Curvas de aquecimento do motor em função da rpm . . .
Instabilidade no controle de força . . . . . . . . . . . .
Soldas a topo sobre bloco . . . . . . . . . . . . . . . .
Solda submersa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Registros do teste RO06 . . . . . . . . . . . . . . . . .
Registros do teste RO03 . . . . . . . . . . . . . . . . .
Registros do teste RO09 . . . . . . . . . . . . . . . . .
Sequência do processo . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Macrografias dos corpos de prova. Ampliação dos vazios
Macrografias em função da matriz de experimento . . .
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LISTA DE TABELAS
Tabela 1:
Análise das publicações ISI sobre o tópico: Friction welding . . . . . . . .
12
Tabela 2:
Tabela 3:
Influência dos parâmetros de solda nas propriedades mecânicas da junta . .
Tabela comparativa entre FRW Direto e FRW Inercial . . . . . . . . . . .
28
30
Tabela 4:
Placa de características . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
42
Tabela 5:
Tabela 6:
Tabela 7:
Especificação química do BS 4360 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Especificação química do AISI/SAE 4140 . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Programação de parâmetros para os testes . . . . . . . . . . . . . . . . . .
43
43
47
Tabela 8:
Tabela 9:
Composição química do material do bloco - BS4360 . . . . . . . . . . . .
Composição química do material do pino - AISI 4140 . . . . . . . . . . .
52
52
LISTA DE ABREVIATURAS
ABNT
Associação Brasileira de Normas Técnicas
PPGE3M
Programa de Pós-Graduação de Engenharia em Minas, Metalúrgica e de Materiais
FRW
Friction Welding
ROV
Remotely Operated Vehicle
TWI
The Welding Institute
SFPC
Solda por Fricção de Pinos Consumíveis
ZAC
Zona Afetada pelo Calor
LAMEF
Laboratório de Metalurgia Física
CE
Carbono Equivalente
IIW
International Institute of Welding
HTLA
Heat Treatable Low Alloy
HSLA
High Strength Low Alloy
CP
Corpo de Prova
12
1
INTRODUÇÃO
Os processos de soldagem aplicados tanto na fabricação de componentes quanto no reparo
de equipamentos e estruturas em operação movimentam milhões de dólares ao ano. Na fabricação de peças em série, procuram-se processos que reduzam os custos de manufatura e
inspeção, que apresentem alta repetibilidade e baixo índice de rejeição. Na manutenção, um
dos principais objetivos dos desenvolvimentos de processos de soldagem consiste na realização de reparos rápidos e com desempenho pelo menos igual ao componente original. Desta
maneira, consegue-se manter a linha em operação e estender a vida útil do equipamento. Por
consequência, pesquisas sobre novas técnicas e/ou métodos são conduzidas para dar resposta às
demandas da indústria.
A técnica de reparo de estruturas metálicas mais amplamente utilizada é a tradicional solda
por arco. Porém métodos alternativos são pesquisados para situações onde a soldabilidade
do material base ou o ambiente tem um papel fundamental na qualidade da solda. Este é o
caso particular de estruturas offshore e tubulações submersas, onde a coexistência de um arco
elétrico e aço fundido num ambiente totalmente agressivo representam uma situação propensa
à introdução de potenciais pontos de falha (1).
Na mesma linha, a exploração de recursos naturais em ambientes de complexidade crescente
impõem novos desafios para os quais as barreiras tecnológicas devem ser superadas.
Neste sentido, o interesse pelas técnicas de soldas em estado sólido tem sido incrementado
acentuadamente nos últimos anos como exemplificado na Tabela 1, baseado na análise no banco
de dados de artigos da ISI Web of Knowledge sobre trabalhos científicos relacionados ao tópico1 :
Solda por fricção.
Tabela 1: Análise das publicações ISI sobre o tópico: Friction welding
A tendência crescente do número de artigos relacionados ao processo de solda por fricção
pode ser considerado um indicador da importância atual deste assunto. Os processos de solda
1
Dados de 2010 correspondem até o mês de Julho
13
em estado sólido, como a solda por fricção, são uma alternativa viável para unir materiais
difíceis de soldar e, inclusive, combinações consideradas não-soldáveis (2). Na solda por fricção
o calor para a solda é produzido pelo movimento relativo entre as duas superfícies em contato.
Este método baseia-se na conversão de energia mecânica diretamente em energia térmica através
da fricção das superfícies a serem unidas. O fato da união na solda por fricção ocorrer abaixo
do ponto de fusão limita a extensão das reações metalúrgicas que causam fragilização, trincas
e porosidade. Além disso, o processo não é tão sensível à absorção de gases e contaminação
atmosférica reduzindo, assim, a importância do ambiente na qualidade do reparo.
A qualidade e características da solda são altamente influenciadas pelos parâmetros do processo, motivo pelo qual é absolutamente necessário realizar ensaios e determinar os valores
adequados para alcançar um reparo confiável. A solda por fricção envolve geração de calor
através de fricção, dissipação de calor, deformação plástica, escoamento de material e difusão
química. A interação entre todos esses fatores durante a solda acarreta grandes dificuldades no
momento de desenvolver modelos preditivos para o processo (2).
A parte experimental tem um papel importante na ciência, na engenharia e na indústria.
Na experimentação, aplica-se um tratamento sobre o objeto em estudo para, logo, medir suas
respostas e tentar identificar os fatores que regem seu comportamento (3). Quando modelos teóricos são complexos demais pelo grande número de variáveis, por exemplo, modelos empíricos
ou tabelas de referência são compiladas a partir da experiência acumulada.
Motivação
Pela importância tecnológica das técnicas de soldagem em estado sólido e devido à necessidade de realizar experimentos para alcançar o estágio de conhecimento para transferir esta
tecnologia à indústria: foi projetada, construída e avaliada uma máquina para realizar pesquisas
sobre o processo de solda por fricção.
Objetivos
Para atender a motivação propõe-se o objetivo: “Desenvolver uma máquina capaz de realizar
soldas por fricção do tipo pontual seguindo um processo de soldagem controlado.”
O equipamento desenvolvido para pesquisa de solda por fricção deve atender os seguintes
requisitos:
• Permita a programação dos parâmetros e do procedimento de soldagem.
• Permita o registro das variáveis de processo para posterior análise.
• O equipamento deve ser versátil na adequação de corpos de prova de diferentes geometrias.
• Deve ser possível realizar soldas submersas.
Este trabalho trata, principalmente, sobre a descrição, avaliação e ajustes do equipamento
durante os primeiros testes mediante a execução de soldas de topo e soldas pelo processo de
14
solda por fricção de pinos consumíveis (SFPC). Também são abordadas as dificuldades que se
apresentaram ao longo do projeto e de como foram solucionadas, sendo que algumas melhorias
são propostas em função da análise de desempenho.
O resultado deste trabalho forma a base para as próximas pesquisas que poderão quantificar
as variáveis de resposta, tais como microestrutura, dureza, tenacidade, vida em fadiga e correlacionar com os parâmetros de execução. E, com estes testes, responder as questões inerentes
aos processos de soldagem:
1. Os materiais podem ser soldados de forma adequada? Para quais condições?
2. Quais serão as propriedades mecânicas da união?
Outra aplicação para o equipamento de solda surge da interação com equipes de áreas de
atuação afins. Consiste na execução de soldas com defeitos intencionais, tais como falta de
preenchimento e inclusões de óxidos, para desenvolver e calibrar técnicas de inspeção não destrutivas.
Espera-se que a informação contida neste trabalho seja uma referência útil para aqueles que
empreendam a tarefa de projetar e fabricar um equipamento de características similares .
15
2
REVISÃO DA LITERATURA
2.1
Processo de Solda por Fricção
A solda por fricção é um processo de solda no estado sólido onde forças compressivas
são aplicadas entre as peças a serem soldadas, as quais são rotadas ou movimentadas uma em
relação a outra gerando calor e deslocando material em estado plástico das superfícies em atrito
e, por esse meio, criando a solda (4).
A união de materiais no estado sólido pode ser uma alternativa atrativa para os processos de
solda por fusão. Deve ser destacado que, metais que convencionalmente são difíceis de soldar
e combinações de materiais dissimilares podem ser soldados utilizando um processo e estado
sólido (5).
Dixon (6) define os processos de estado sólido como aqueles nos quais é produzida a união
das superfícies de atrito a temperaturas menores que a de fusão do material sem inclusão de
materiais de brazagem ou metal de adição. Pressão pode ou não ser aplicada. Estes processos
envolvem difusão e deformação para produzir uniões de alta qualidade entre os dois materiais,
tanto similares como dissimilares . Uniões dissimilares são realizadas para aplicações onde
diferentes propriedades são necessárias no mesmo componente ou quando representa uma economia de fabricação.
2.1.1
Princípios Básicos do Processo
O método de solda por fricção, denominado na literatura em inglês como FRW (Friction
Welding), baseia-se na conversão direta de energia mecânica para energia térmica, a partir do
movimento relativo das superfícies a serem unidas, sem aplicação de calor de qualquer outra
fonte. Sob condições normais não há fusão na interface. A Figura 1 esquematiza uma solda
típica, onde uma peça estacionaria é mantida em contato contra a peça giratória sob pressão até
a interface atingir a temperatura de solda. A velocidade de rotação, a pressão axial e o tempo de
solda são as principais variáveis controladas para obter a combinação necessária de temperatura
e pressão para formar a solda. Estes parâmetros são ajustados de maneira que a interface seja
aquecida até a faixa de “temperatura plástica” adequada para a solda. Uma vez atingido o valor,
uma maior pressão é exercida para trazer as interfaces em contato íntimo. Durante esses estágios
há difusão atômica entre as partes, permitindo a união metalúrgica entre ambas as peças (2).
Através de estudos empíricos o processo é bem compreendido, ensaios e pesquisas tendo
sido realizado sobre uma ampla gama de materiais. Estudos que servem como referência de
partida para aplicações específicas.
São listados cinco dos fatores principais que influenciam na qualidade da solda:
16
• velocidade relativa das superfícies
• pressão aplicada
• temperatura das superfícies
• propriedades dos materiais
• condições da superfície e presença de filmes
Figura 1: Processo básico de solda por fricção
Fonte: ASM Handbook
Dos fatores, os três primeiros estão relacionados a parâmetros de processo, enquanto que
os últimos dois são relacionados aos materiais a serem unidos. Durante a FRW, a velocidade, a
pressão aplicada e a duração são as três variáveis controladas. A temperatura na superfície é um
parâmetro crítico para assegurar boas soldas, sendo esta dependente das condições do processo
e dos materiais envolvidos. Apesar de não ser medida ou controlada diretamente os efeitos de
temperatura insuficiente ou excessiva podem ser, geralmente, observadas através de inspeção
visual da solda efetuada. As propriedades dos materiais e das superfícies afetam tanto as forças
de fricção quanto as características de forja (2). No capítulo 3 será discutida uma lista completa
de variáveis que permitem controlar o resultado do processo.
2.1.2
Etapas Características
A descrição baseada na curva de torque de fricção, apresentada no ASM Handbook (7),
divide o processo em três etapas como descrito a seguir e apresentado na Figura 2:
1. Etapa de Fricção: O torque aumenta rapidamente após o primeiro contato. Logo alcança
um pico e diminui antes de estabilizar marcando o fim da etapa 1. O rápido aumento e
queda gradativa do torque está associada ao intertravamento, microsoldas e ruptura de
asperezas e subsequente amolecimento do material pelo aquecimento.
17
2. Etapa de Aquecimento: O torque mantém-se relativamente constante durante a etapa
2, indicando que o processo alcança um equilíbrio entre encruamento por deformação e
amolecimento devido ao aumento da temperatura.
3. Etapa de Forja: A etapa começa no instante em que o eixo é desacelerado. Para efetuar
a forja a carga axial é aumentada. O torque aumenta novamente formando um segundo
pico antes de cair até zero. Este pico varia com a desaceleração e a força aplicada. Sob
algumas circunstâncias o pico de torque pode ser suprimido. Como a força de frenagem
pode ser controlada, o tempo de frenagem pode ser uma das variáveis controladas do
processo. Quando a frenagem é quase instantânea o torque cai abruptamente e uma força
axial maior é aplicada para produzir a forja. Quando a força axial permanece constante,
menores taxas de frenagem levam a picos mais altos. Se a força axial é incrementada na
fase 3, o tempo de frenagem é diminuído, mas o pico ainda aumenta em decorrência do
maior carregamento. Aumentar o torque por fricção contribui na forja torsional, a qual é
mais efetiva que a forja unicamente por aumento da carga axial.
Figura 2: Evolução dos parâmetros durante a solda por fricção
2.1.3
União de materiais similares
A FRW pode ser utilizada para soldar uma ampla faixa de materiais similares e combinações
dissimilares que não podem ser unidas por métodos convencionais. Combinações de metais,
cerâmicos, compósito de matriz metálica e polímeros tem sido unidos através de este método
(2).
Os dois requisitos principais para formar boas soldas por fricção são: primeiro, que os
materiais a serem unidos possam ser forjados e, segundo, que os materiais gerem fricção na
interface de solda. O primeiro requerimento elimina soldas de materiais similares em materiais
frágeis como cerâmicas, ferro fundido, etc. Mas, em alguns casos, é possível soldar materiais
dúcteis a estes materiais. A segunda condição elimina ou dificulta a solda de materiais que
contém elementos de liga para lubrificação a seco, como grafite, aditivos para usinagem e ligas
com chumbo.
18
A relativa facilidade com que é realizada a solda por fricção de um metal com ele mesmo
está associado ao fato que, por apresentarem as mesmas propriedades, o calor é distribuído
uniformemente e as características de deformação são idênticas em ambos os lados da interface.
Isto resulta em soldas simétricas com boas propriedades. Em geral as variáveis de processo
não variam significativamente para diferentes ligas dentro do mesmo tipo de material. Não
obstante, podem haver diferenças significativas nas variáveis de processo entre diferentes tipos
de materiais (2). Devido ao aquecimento localizado gerado pela FRW, a zona afetada pelo calor
(ZAC) está sujeita a resfriamento rápido pela efetiva transferência de calor para o metal base.
Esta têmpera pode alterar significativamente as propriedades mecânicas e até exigir tratamento
térmico pós-solda. Por exemplo, a fim de restabelecer a dutilidade, tratamentos de alívio de
tensões ou revenido podem ser requeridos em materiais com temperabilidade elevada. Ligas que
obtém sua resistência por trabalho a frio perderão essa propriedade na ZAC e suas propriedades
não podem ser recuperadas com tratamento térmico pós-solda (2).
2.1.4
União de materiais dissimilares
Enquanto que muitas soldas de metais similares são realizadas por fricção devido a questões
econômicas, muitas soldas de materiais dissimilares são realizadas por fricção, uma vez que esta
é a única alternativa. Exemplos deste tipo de união inclui combinações de metais dissimilares
com ampla diferença de pontos de fusão e combinações que formam fases incompatíveis quando
soldadas por fusão. Exemplos citados na referência (2) incluem: Cobre com aço AISI 1018,
aço ferramenta M2 com aço AISI 1045, liga de Níquel 718 com aço AISI 1045, aço inoxidável
AISI 302 como aço AISI 1020, Alumínio AISI 6061 com inox AISI 302 e Cobre com ligas de
Alumínio.
Uma matriz de várias combinações de materiais metálicos soldados por fricção é apresentado no Apêndice A.
Uma descrição geral sobre combinações de metais dissimilares obtida de Elmer e Kautz (2)
é apresentada a seguir:
Aços de baixo Carbono com aços de médio Carbono. Em geral, estas combinações são
unidas para uma ampla gama de condições, inclusive aços de alto teor de Carbono (C) são soldados com aços ligados usando solda por fricção. Ferramentas de aço rápido são soldadas à
hastes de aço liga para inúmeras aplicações em máquinas ferramentas. Aços com teores de Carbono tão altos como 1%, como o aço AISI 52100, podem ser unidos com ligas de menor teor de
C. Tratamentos térmicos pré-solda são requeridos em alguns casos para ajustar as propriedades
na interface e tratamentos pós-solda para revenir as regiões de interface do aço com alto C.
Aços Inoxidáveis com outros metais Os aços inoxidáveis são relativamente fáceis de soldar por fricção contra outros metais. Por exemplo, o aço inox austenítico com aços de baixa
liga, Titânio e Cobre com inox e Alumínio 1100 com inox. Combinações estas que podem
ser utilizadas como camadas intermediárias para realizar uniões de pares incompatíveis. Para
exemplificar esta técnica o ASM Handbook menciona uma pesquisa do R. Armstrong (1991)
19
onde, para conseguir a união entre Alumínio 5083 com o aço inox é utilizada uma solda intermédia de Al 1100 que, após usinada, serve de base para soldar o Al 5083, obtendo-se uma
união de alta eficiência.
2.1.4.1
Problemas na união de materiais dissimilares
Os problemas inerentes à solda por fricção de materiais dissimilares envolvem fatores como:
interface de união, fases de baixo ponto de fusão, fases frágeis e diferença de expansão térmica.
As soldas podem ser afetadas por contaminantes (Enxofre e Fósforo em ligas ferrosas, Bismuto em ligas de Cobre) na interface de união. Estes contaminantes causam problemas tipo
fragilização a quente mesmo em baixas concentrações. Portanto, práticas de limpeza devem ser
incluídas no procedimento de preparação dos componentes a serem soldados.
Interfaces de União. Combinação de metais altamente dissimilares são muito sensíveis
à preparação superficial. Em soldas de aço inox com o Al, o óxido formado no Al absorve
contaminantes como água e hidrocarbonetos, formando camadas superficiais que prejudicam a
solda. Se esta camada não for removida antes da solda, a resistência da união pode ser comprometida. Superfícies tratadas geralmente causam problemas durante a solda por fricção. Aços
cementados ou nitretados são difíceis de soldar pelo inerente baixo coeficiente de fricção e baixa
forjabilidade. Na maioria dos casos a soldabilidade é melhorada se a camada tratada é removida
das superfícies atritantes.
Formação de fases de baixo ponto de fusão. Algumas combinações de materiais tem fases
de baixo ponto de fusão associadas à mistura de constituintes na interface da solda. Combinações como ligas de base ferrosa com ligas de Titânio e ligas de Al com ligas de Magnésio são
propensas à sofrerem este inconveniente. Eutéticos de baixo ponto de fusão são encontrados
nestes sistemas metalúrgicos e uma grande atenção deve ser objeto de estudo de parâmetros
para prevenir a formação de fase líquida durante o processo de soldagem.
Formação de fase frágil. Alguns materiais, quando combinados, são suscetíveis de formar
uma fase frágil. Duas são as principais causas; por contaminantes superficiais que fragilizam
a interface ou devido a formação de fase intermetálica entre os constituintes das ligas sendo
soldadas.
Diferença de expansão térmica. Certas combinações são difíceis de soldar por apresentarem uma grande diferença no coeficiente de expansão térmica. Materiais de baixa expansão
como metais refratários, cerâmicas, ligas Fe-Ni-Co podem falhar ou ser submetidas a altas solicitações durante o resfriamento quando soldadas com materiais de alto coeficiente como o
inox austenítico ou superligas em base Níquel ou Cobalto. No emprego destas combinações o
projetista deve levar em conta os grandes esforços que sofrerá a estrutura se os lugares da solda
estão restringidos quando exposto a amplas variações de temperatura.
20
2.1.5
Soldabilidade dos Aços
Soldabilidade é um termo usado para se referir a relativa facilidade com a qual um metal
pode ser soldado utilizando práticas convencionais. Algumas dificuldades podem apresentar-se
quando as taxas de resfriamento associadas aos ciclos térmicos da soldagem produzem microestruturas (por exemplo, martensita) que são susceptíveis à fratura frágil ou trinca induzida por
hidrogênio. Talvez o método mais popular para avaliar a suscetibilidade dos aços a formar estas
microestruturas seja através da fórmula do carbono equivalente (CE), (8).
O CE é uma relação empírica que considera os elementos que influenciam significativamente a soldabilidade dos aços num valor único. Permite determinar a necessidade de aplicar
um tratamento térmico pré- ou pós-soldagem. Uma das fórmulas desenvolvidas pelo International Institute of Welding (IIW), para o cálculo do CE de aços ao carbono e ligados apresenta-se
na equação 1.
CE = %C +
%Si + %N i + %Cu
%M n %Cr + %M o + %V
+
+
6
5
15
(1)
O resultado da equação 1 é de interpretação prática. Os limites sobrepõem-se na literatura,
mas em resumo, quando o material tem baixo valor de CE, geralmente, apresenta boa soldabilidade. Sendo o CE do material menor que 0.45 % é pouco provável que ocorra uma trinca
por solda e nenhum tratamento térmico é requerido. Com valores de CE entre 0.45 e 0.60 %,
há probabilidade de trinca e pré-aquecimento, na ordem dos 95 aos 400 ◦ C, faz-se necessária. Quando o CE é maior que 0.60 %, a probabilidade é alta e tanto pré-aquecimento como
tratamento pós-solda deverão ser realizados para obter soldas com propriedades adequadas.
A Figura 3 apresenta a soldabilidade de varias famílias de aços como função do carbono
equivalente. O número 1 indica a presença de Mo na liga; 2, Cr + Ni + Mo + Si; 3, Cr ou V ou
Ni + Si.
As trincas induzidas por Hidrogênio (H), também conhecidas como trincas a frio, são defeitos formados pela contaminação da microestrutura da solda por este elemento. O Hidrogénio
(H) dissocia-se dos lubrificantes orgânicos (salienta-se a importância da limpeza superficial),
das moléculas d’água que, inevitavelmente, estão presentes na umidade do ar e no ambiente das
soldas submersas. Contudo a solubilidade do H é muito maior em aço fundido do que em estado
sólido 1 . Isto quer dizer que, um processo de solda onde os materiais não são fundidos, como é
o caso, tem maior probabilidade de sucesso na união de componentes com valor comprometido
de CE.
2.1.6
Vantagens e Limitações do Processo
A solda por fricção apresenta uma série de vantagens (1; 7) frente a outros processos de
união, tais como solda por fusão e brasagem.
Na ordem de 30ppm em peso, acima da linha de liquidus a 1500◦ C, e menos de 1 ppm em estado sólido a 400
C, (10)
1
◦
21
Figura 3: Soldabilidade dos aços em função do CE
Fonte: ASM Handbook, (9)
• No caso de soldas entre tubos, não é necessária atenção especial à limpeza superficial,
pois a FRW tende a remover películas de contaminantes e eliminá-las junto à rebarba2 .
• Pode ser realizada em qualquer plano.
• Dispensa o uso de metais de aporte, fundente ou gás protetor.
• Por se tratar de um processo automatizado é mais seguro para o operador. Não há respingo
de metais, radiação nem fumaça. Não há risco envolvendo arco elétrico.
• Por ser um processo em estado sólido, não apresenta defeitos associados ao fenômeno de
fusão-solidificação.
• É possível realizar uniões de transição entre materiais dissimilares, que são impossíveis
de unir por outros métodos.
• Alta repetibilidade. Alta produtividade. Menor custo em mão de obra, não requer operador qualificado.
Entre as limitações citam-se:
• A área de soldagem, ao menos uma das partes deve ser de revolução de maneira que
possa rotar em torno do eixo do plano de soldagem. Geometrias típicas incluem: Barra
com barra, barra com tubo, barra com chapa, tubo com tubo e tubo com chapa.
• Ao menos um dos materiais deve ser plasticamente deformável nas condições de solda.
• O par em contato deve gerar calor por fricção.
2
Excesso de material deformado plasticamente localizado ao redor da solda
22
• A preparação e alinhamento das peças é crítico para produzir contato e aquecimento uniforme.
• Alto capital em equipamento e ferramentas.
Estudos prévios à implementação do processo devem ser realizados para garantir um desempenho adequado da união. A Norma DIN EN ISO 15620 (11) se ocupa de aspectos práticos
do processo. Nesta Norma são enumerados os fatores que podem afetar a solda por fricção:
1. Quantidade, distribuição e forma de inclusões não metálicas nos materiais de base;
2. Formação de fase intermetálica na solda;
3. Formação de fase de baixo ponto de fusão na solda;
4. Porosidade no metal base;
5. Amolecimento térmico de materiais endurecidos;
6. Endurecimento do material soldado na zona afetada pelo calor;
7. Hidrogênio no metal base.
Com referência à qualidade dos produtos fabricados utilizando um processo de solda por
fricção; a bibliografia (11) recomenda tomar medidas adequadas com respeito as condições de
pré-solda, solda e pós-solda.
Condições de pré-solda: Uma série de condições devem ser mantidas para garantir a repetibilidade nas propriedades das soldas por fricção. Entre outras pode-se mencionar a análise
química, microestrutura, resistência e dureza, tolerâncias dimensionais e geométricas e condições de fornecimento dos materiais a serem unidos. A preparação das superfícies de contato
deve remover camadas de sujeira, graxa, óxidos e filmes protetores, exceto quando demonstrado que a contaminação superficial não tem efeitos prejudiciais nas propriedades da junta. O
mesmo critério é aplicado às irregularidades nas superfícies de contato.
As extremidades de cada componente devem ser preparadas de maneira tal que as superfícies
de atrito pertençam a planos normais ao eixo de rotação. Essas extremidades podem ser cônicas
de maneira tal que a superfície de contato seja reduzida nos estágios iniciais da solda diminuindo
o torque no primeiro contato.
O torque e as forças axiais são suportadas pelas ferramentas de fixação. As forças não devem ser tão altas como para deformar ou marcar os componentes além de níveis permissíveis.
Adaptações adequadas devem ser utilizadas para evitar deslizamentos axiais e amassamento de
componentes ocos. Uma atenção especial deve ser dada ao alinhamento dos eixos dos componentes ao posicioná-los na máquina.
Condições de pós-solda: Quando necessário, procedimentos de usinagem posterior e/ou
tratamentos térmicos pós-soldagem devem ser especificados em concordância com as condições
de operação esperadas.
23
2.1.7
Variantes do Processo
Variantes à configuração utilizada para descrição do processo de solda por fricção utilizam
o mesmo principio para aproveitar as possibilidades deste método de união. A literatura (11)
menciona 14 processos adicionais baseados em fricção, reproduzidos a seguir utilizando a denominação internacional:
1. Radial Friction Welding. Um método pelo qual componentes ocos podem ser unidos
utilizando um anel intermediário o qual é rotado entre eles em quanto que sujeito a forças
radiais (Figura 4).
Figura 4: Radial Friction Welding
Fonte: Nicholas, 2003 (12)
2. Friction Stud Welding. Pelo qual um pino sólido ou oco é soldado por fricção contra um
componente maior.
3. Friction Surfacing. Um método de deposição, onde a fricção entre o material superficial
e o substrato promove as condições termo-mecânicas para adesão (Figura 5).
Figura 5: Friction Surfacing
Fonte: Nicholas, 2003 (12)
4. Friction Taper Plug Welding. Método pelo qual um componente cônico sólido ou oco é
soldado por fricção num furo cônico em outro componente.
24
5. Friction Taper Stitch Welding. Um método de acordo com o anterior pelo qual uma série
de corpos cónicos são soldados de maneira sobreposta.
6. Friction Stir Welding. Método pelo qual uma ferramenta não consumível é rotacionada
entre as superfícies a topo ou sobrepostas e trasladada para gerar calor e escoamento de
material.
7. Friction Seam Welding. Similar ao anterior, mas uma ferramenta consumível é rotacionada e trasladada entre as superfícies dos componentes.
8. Friction Lap Seam Welding. Uma técnica onde uma roda giratória não consumível de
alta velocidade é friccionada e trasladada contra os componentes sobrepostos (Figura 6).
Figura 6: Friction Lap Seam Welding
Fonte: Nicholas, 2003 (12)
9. Friction Plunge Welding. Método pelo qual um componente de material duro, com ranhuras especialmente usinadas, é soldado por fricção num componente de material mais
mole para produzir trava mecânica e união metalúrgica.
10. Third Body Friction Welding. Método pelo qual dois componentes são soldados por
fricção utilizando material de um terceiro componente. O material do terceiro corpo pode
ter a forma de um sólido, pó ou cavacos de metal.
11. Friction co-extrusion cladding. Método pelo qual um componente interno pode ser revestido com um componente externo sendo rotacionado e forçado coaxialmente através
de uma matriz especial (Figura 7).
12. Friction Hydro-pillar Processing. Método pelo qual um pino sólido ou tubular é rotacionado sob força axial, dentro de uma cavidade em ordem de preenche-la completamente.
O método pode ser utilizado para reparo, fabricação, revestimento e reprocesso de materiais.
25
Figura 7: Friction Co-extrusion Cladding
Fonte: Nicholas, 2003 (12)
13. Friction Brazing. Método com liga de brasagem pré-alocada, onde a energia para produzir a união é desenvolvida por fricção através de um movimento relativo de um componente sob leve pressão contra a superfície de brasagem no outro componente.
14. Linear Friction Welding. Método em qual um componente é oscilado linearmente apoiado
na fase do outro componente (Figura 8).
Figura 8: Linear Friction Welding
Fonte: Nicholas, 2003 (12)
2.1.8
Solda por Fricção de Pinos Consumíveis
Solda por Fricção de Pinos Consumíveis (SFPC) é o nome adotado neste trabalho para se
referir ao método anteriormente listado como Friction hydro-pillar processing. O estudo deste
processo é relativamente recente, quando comparado às técnicas convencionais de solda por
fricção. Foi patenteado pelo TWI em 1993 e registrado nos Estados Unidos em 1995 (13).
Existem escassas informações sobre o processo e são, basicamente, dois ou três grupos que
pesquisam SFPC no mundo (14).
Desde a concepção, o processo foi pensado como um método de união para aplicação na
indústria pesada ou reparo de estruturas de aço de grande espessura e, como todos os processos
de solda por fricção, SFPC é factível de ser automatizado.
A possibilidade de realizar reparos de trincas submersas e de sobrepor sucessivas SFPC
formando uma “costura” foi apresentado por Nicholas em 1995 (1). Uma lista de vantagens e
26
potenciais aplicações na indústria petroquímica fazem deste processo uma técnica estratégica
para aplicação de métodos alternativos de fabricação, reparo e manutenção. O processo será
executado para avaliar o desempenho da máquina desenvolvida para estudo de processo de
solda por fricção tipo pontual.
Lista de vantagens compilada por Nicholas:
• União em estado sólido, reprocessamento e manufatura de novos materiais.
• Penetração profunda, fenda estreita para reparos e uniões de materiais ferrosos e não
ferrosos.
• Adequado para automatização e controle a distância.
• Pode ser operado para reparos em ambientes de risco tais como ambientes submersos,
altamente magnéticos e radiação.
• Grandes seções, capacidade de união de materiais dissimilares.
• Requer menor quantidade de material de solda, para maior espessura mais eficiente economicamente.
• Ambientalmente amigável.
• Baixo custo dos consumíveis.
• Rápido, tendo furos de 50 mm preenchidos em menos de 10 segundos.
Uma excelente definição do processo é reproduzida a seguir.
Definição 2.1.8.1 (Thomas e Nicholas, 1997) “A técnica de SFPC envolve rotacionar um pino
consumível em um furo essencialmente circular concêntrico sob uma carga axial, para gerar
uma sucessão de camadas plastificadas localizadas. As camadas plastificadas aderem-se e
comprimem uma fina série de interfaces de cisalhamento helicoidal rotativa adiabática, em
parte de forma esférica. Durante SFPC o consumível é totalmente plastificado através do diâmetro do furo e ao longo da espessura da peça. O material plastificado desenvolve-se a uma
taxa maior que a taxa de alimentação axial do pino, o que significa que a superfície de atrito
sobe ao longo do consumível para formar o depósito de material dinamicamente recristalizado. O material plastificado na interface rotacional é mantido numa condição suficientemente
viscosa como para transmitir forças hidrostáticas, ambas axiais e radiais, para o interior do
buraco, permitindo a união metalúrgica.”
A Figura 9 representa o processo como foi descrito na definição. As setas indicam a direção do movimento circular e da aplicação da força axial. O material plastificado transmite o
carregamento na forma de pressão contra o fundo e as laterais do furo.
27
Figura 9: Solda por Fricção de Pinos Consumíveis
Fonte: Nicholas, 2003 (12)
Baseado numa compilação realizada pelo A. Meyers (1) sintetiza-se no apêndice a influência
das principais variáveis utilizadas para controle do processo sobre as propriedades mecânicas
da união.
2.2
Máquinas de Solda por Fricção
2.2.1
Classificação pelo Método de Acionamento
Existem dois métodos principais de solda por fricção: solda por acionamento direto e por
acionamento inercial. Estes métodos utilizam um motor girando a velocidade constante e energia cinética armazenada num volante de inércia, respectivamente, para realizar o aporte de
energia na solda (2).
2.2.1.1
Acionamento Inercial
Na solda por fricção com acionamento inercial, um volante de inércia e a parte rotante são
montadas no eixo, o qual é levado à velocidade requerida. O motor de acionamento é, então,
desacoplado e as duas partes fazem contato com uma pressão axial predeterminada. O volante
com rotação livre desacelera sob a ação do atrito na interface. Por outro lado, a energia cinética
armazenada no volante é convertida em energia térmica nas superfícies em contato. A solda é
completada quando o volante para. Uma força de forja pode ser subsequentemente utilizada (7).
Um esquema da configuração e da evolução dos parâmetros durante o processo é apresentada
nas Figuras 10 e 11, respectivamente.
2.2.1.2
Acionamento Direto
Na solda com acionamento direto (Figura 12), o eixo é acelerado até uma velocidade determinada e as partes são colocadas em contato sob força axial. A rotação e a força são mantidas
por um período específico, determinados por tempo ou distância, de maneira que a energia por
28
Tabela 2: Influência dos parâmetros de solda nas propriedades mecânicas da junta
Parâmetro de solda Propriedades Mecânicas
Velocidade
Com altas velocidades de rotação são necessários maiores tempos
para atingir a condição de plastificação. Isto permite a condução
de calor para o interior da peça resultando numa ZAC mais larga
e menor taxa de resfriamento. Maiores velocidades resultam em
menor dureza. O aumento da velocidade de rotação acarreta um
aumento do tamanho de grão. Maiores velocidades resulta em
menor resistência a tração. Baixas velocidades reduzem o tempo
de aquecimento e aumentam a taxa de resfriamento, resultando
em maior dureza.
Força Axial
Este parâmetro controla o gradiente de temperatura, a potência
de acionamento requerida, a largura da ZAC e a taxa de encurtamento. Existe uma relação linear entre a força normal e a taxa
de queima. A resistência aumenta progressivamente com a força.
A força aumenta a taxa de queima, diminuindo a geração de calor aumentando a taxa de resfriamento. Por tanto, incrementasse
a dureza. Soldas realizadas com forças maiores resultam em regiões mais estreitas onde a dureza é menor que no material base.
Ou seja, quanto maior a força, mais afunilado será o perfil de durezas na região de transição.
Tempo de Solda
Curtos tempos aumentam a resistência. A ZAC é estreita e, por
isso, a taxa de resfriamento é maior. É o parâmetro mais importante para controlar a dureza. Maiores tempos de solda propiciam
menor taxa de resfriamento e menor dureza.
Forja
O aumento da força axial aplicada na última fase da solda controla
as condições de aquecimento, pois ejeta o material plastificado
que transporta o calor para o flash. A aplicação da forja tem
dois efeitos benéficos na resistência da solda: romper as inclusões
grosseiras e o refino dos grãos de Austenita por trabalho a quente,
o que reduz a tendência de formação de estrutura de Widmanstätten.
Fonte: A. Meyers, 2002 (1)
Figura 10: Máquina com acionamento inercial
fricção incrementará a temperatura nas superfícies em contato conseguindo plastificar o material e adequando-o à solda. O eixo é desacoplado do motor e aplica-se o freio para desacelerar o
conjunto rotativo. Ao mesmo tempo a força axial é mantida constante ou aumentada para com-
29
Figura 11: Ciclo de solda com acionamento inercial
pletar o processo (7). A descrição do processo pode ser acompanhada no gráfico das variáveis
apresentado na Figura 13.
Figura 12: Máquina com acionamento continuo
Para aços, a velocidade periférica recomendada varia de 75 a 215 m/min. Em geral, maiores
velocidades correspondem a soldas de baixo aporte de energia e são usados para soldar materiais
sensíveis ao calor, como aços temperáveis. A força de fricção é aplicada gradualmente para
ajudar a superar o pico de torque no contato inicial. Para aços ao carbono uma pressão de
fricção de aproximadamente 70 MPa na interface de contato é necessária para formar uma boa
união. Depois que o motor for desacoplado da peça, é aplicada a força de forja para completar
a solda. Tipicamente um valor de 140 MPa na interface de união é empregado. O calor gerado
por deformação plástica é a fonte primária de calor durante a etapa de forja (2).
A Tabela 3 resume e compara as características de ambos os métodos de acionamento mais
difundidos.
Outras classificações em função do movimento relativo e do acionamento são apresentadas
na Figura 14.
2.2.2
Equipamentos Desenvolvidos
O conceito da máquina é dependente da aplicação, pois em função da mesma serão definidos
os pré-requisitos para um projeto que consiga obter qualidade e repetibilidade nas soldas.
30
Figura 13: Ciclo de solda com acionamento continuo
Tabela 3: Tabela comparativa entre FRW Direto e FRW Inercial
Parâmetro de Processo
FRW Direto
FRW Inercial
Parâmetros de Solda
Velocidade de rotação
Momento de inércia do volante
Duração da rotação ou Velocidade de rotação
distância de queima
Força axial
Força axial
Conversão da Energia em Energia constante num Energia armazenada no voCalor
tempo estabelecido
lante; duração determinada
pelos parâmetros de solda
Aporte de Energia
Baixo
Alto
Taxa de Geração de Calor Baixa
Alta
Duração do Ciclo
Similar
Similar
Largura da ZAC
Larga
Estreita
Rigidez do Sistema
Menor rigidez
Maior rigidez e maiores forças nas pinças de fixação
Fonte: ASM Handbook, 1994
A Norma DIN EN ISO 15620 (11) especifica as partes geralmente encontradas numa máquina de solda por fricção e os ciclos operacionais mínimos.
A máquina deve ser equipada com um sistema de controle automático o qual, depois de
fixadas as peças, desenvolverá um ciclo de solda controlado sem intervenção de um operário e
incorporará:
• Início de uma sequência que traz as peças em contato a uma determinada velocidade.
• Estabelecimento e manutenção de uma força de fricção e velocidade relativa durante o
ciclo de aquecimento.
• Estabelecimento e manutenção de uma força de forja durante um determinado tempo de
31
Figura 14: Classificação dos tipos de solda por fricção
forja ou distância de forja ou combinação de ambos para completar a solda.
Dentre os antecedentes de desenvolvimentos de máquinas de solda por fricção, dois trabalhos são de especial interesse por apresentarem as características de projetos utilizados com
sucesso na técnica de solda por atrito de pinos consumíveis. Seguidamente são comentadas as
principais características de ambos projetos. No trabalho do Meyers (1) é descrito o sistema
de solda utilizado para realizar uma pesquisa sobre os mecanismos de união e propriedades
do processo. O sistema consiste, principalmente, de quatro componentes: a unidade hidráulica, o bloco de válvulas, a cabeça de solda e o sistema de controle. O sistema foi projetado
e construído como uma máquina portátil de solda por fricção de pinos para uso subaquático
por uma empresa de manutenção de plataformas offshore. A Figura 16 mostra um cabeçote de
solda acoplado a um veículo operado remotamente (ROV) e uma barra roscada soldada a topo
por fricção.
A unidade hidráulica é acionada por um motor eletrico de 50 kW suprindo até 115 l/min
a 315 bar. A pressão máxima de óleo pode ser regulada enquanto a bomba ajusta automaticamente a vazão. O sistema entrega o fluido através de mangueiras de 60 m de comprimento
que conectam com o bloco de válvulas. O excessivo comprimento somado à flexibilidade das
32
Figura 15: Componentes básicos de uma máquina de solda por fricção
mangueiras, produz um retardo na elevação de pressão quando maior potência é requerida. Este
fenômeno acarreta alguns problemas, especialmente, no primeiro contato entre pino e chapa
base a altas rotações quando o sistema, as vezes, estola3 devido à baixa pressão (1).
O bloco de válvulas regula a vazão e pressão fornecida pela unidade. Todas as operações
da cabeçote do soldagem são conduzidas por servo válvulas proporcionais controladas eletricamente.
O cabeçote de soldagem, apresentada na Figura 17, tem aproximadamente 600 mm de comprimento e 160 mm de diâmetro. Consiste num motor de deslocamento fixo na parte superior
e um pistão hidráulico dentro da parte inferior do cilindro. O pistão desloca o eixo axialmente
até 50 mm e aplica a força requerida. Os consumíveis são fixados no mandril no extremo do
eixo. A velocidade de rotação é monitorada com um sensor indutivo dentro do alojamento e um
sensor de proximidade linear mede o movimento axial do pistão. A cabeça de solda é fixada na
estrutura através do alojamento.
O sistema de controle baseado no computador recebe as informações dos sensores e faz
o controle de acordo com os parâmetros de solda. Este sistema regula o processo de solda
pelo comprimento de queima. A velocidade de rotação e a pressão no cilindro podem ser
mudados várias vezes durante a solda, o que possibilita modificar as condições de operação
durante o progresso da solda. Os parâmetros do processo são salvos como projetos pelo sistema
de controle. Os mesmos podem ser definidos antes de iniciar a solda. Os parâmetros são
3
Travamento devido ao torque resistente excessivo.
33
apresentados em tempo real durante a solda e salvos junto ao projeto. Estes gráficos podem ser
impressos ou visualizados novamente, mas não tem a opção para exportar os dados registrados.
Por este motivo foi desenvolvido um sistema adicional para registrar os dados de processo
e dados complementares. O sistema baseia-se num computador padrão conectado a uma placa
para condicionamento de sinais. O software apresenta gráficos das variáveis em tempo real para
todos os sinais gerados durante a solda. Os dados são guardados e exportados para posterior
análise.
Figura 16: a) Equipamento da Proserv - Offshore para solda por fricção; b) Pino roscado,
soldado por fricção a topo
Fonte: Folheto da Proserv-Offshore
Um equipamento similar foi desenvolvido no Brasil (15). A Unidade de Processamento de
Pinos por Atrito, da Universidade de Uberlândia, possui um conjunto mesa de sustentação pórtico, cabeça de reparo, unidade hidráulica e sistema de aquisição e controle. O pórtico tem
a função de suportar a cabeça de reparo. Confeccionado em aço ABNT 1020 projetado para
suportar uma carga vertical de até 70 kN. A mesa sustenta o pórtico e as chapas de reparo de
até 500 mm de largura, as quais são fixadas mediante presilhas.
Em ambos projetos, à cabeça de reparo corresponde um conceito muito interessante. Na
mesma são combinados o movimento rotacional com o deslocamento axial e são alocados os
sensores de posição e velocidade de rotação, resultando num projeto compacto, como mostra
a Figura 18. O movimento rotacional é transmitido por um motor hidráulico de deslocamento
fixo com velocidade nominal de 8000 rpm e potência de 50 kW. O eixo é inserido numa haste
vazada e é suportado por rolamentos. A haste possui movimento de translação axial e, através
dos mancais, transmite esse movimento ao eixo. O cilindro foi projetado para uma pressão de
12 MPa, pressão que produziria uma carga axial de 70 kN no pino de queima. O acoplamento
deslizante utilizado tem curso de 45 mm, torque nominal de 45 Nm e torque de pico de 90 Nm.
A carga axial e tangencial sobre os rolamentos foi limitada para 50 kN e 10 kN, respectivamente.
34
Figura 17: Equipamento do Instituto de pesquisa GKSS
Figura 18: Unidade desenvolvida na Universidade Federal de Uberlândia.
Fonte: Pires, 2007 (16).
A unidade hidráulica reúne o reservatório de óleo, as bombas, os motores, bloco de válvulas
e acessórios necessários para acondicionar o fluido. O motor elétrico e bomba que impulsam
a haste tem capacidade de 1.5 kW, pressão de 12 MPa e vazão de 5 l/min, o que resulta numa
velocidade de deslocamento da haste de 11 mm/s. O conjunto moto-bomba responsável por
impulsar o motor hidráulico tem potência de 75 kW, vazão de 99 l/min e pressão na ordem
de 35 MPa, o que garante um torque máximo de 57 Nm. O bloco está equipado com servo
válvulas proporcionais para controlar a pressão e vazão da haste e a vazão no motor. O sistema
35
de controle é composto, principalmente, por condicionadores de sinais, placas de controle PID4
e computador com placa de aquisição.
Há interesse em reproduzir soldas submersas e, para isso, uma solução é apresentada na
Figura 19 obtida do trabalho de Ambroziak e Gul (17). Em este conceito a máquina inteira é
colocada dentro de um contentor de líquido utilizando ganchos (ver Figura 17) e correntes para
içar o equipamento.
Figura 19: Solda submersa
Fonte: Ambroziak e Gul, 2007
4
Algoritmo de controle Proporcional - Integral - Derivativo
36
3
PROJETO DA MÁQUINA DE SOLDA POR FRICÇÃO
3.1
Descrição Geral
Com base nos antecedentes mencionados na seção 2.2, nos requerimentos do processo e,
tratando-se de um equipamento de pesquisa, foi concebido um sistema que se adequasse à
infraestrutura disponível no laboratório onde foi desenvolvido o projeto.
O sistema completo é composto de: Unidade hidráulica central, distribuidor hidráulico,
bloco de válvulas, quadro de reação, base móvel e sistema de controle. A Figura 20 mostra um
esquema geral do sistema.
Figura 20: Esquema do sistema de solda
Fonte: Folhetos MTS
• Unidade hidráulica: A unidade central, modelo 505 SilentFlo da MTS System Corporation, trabalha com até quatro bombas de deslocamento variável em paralelo entregando
uma vazão máxima de 450 l/min a 210 bar de pressão. Os conjuntos motor-bomba estão
alocados dentro do reservatório hidráulico possibilitando baixos níveis de ruído em operação. Os mesmos são acionados sequencialmente em função da demanda. O sistema
está equipado com trocadores de calor e torres de resfriamento em circuito fechado para
manter a temperatura do fluido de trabalho.
• Distribuidor hidráulico: É um arranjo de válvulas, filtros e acumuladores que recebe o
fluido desde a unidade central e encarrega-se de derivar às diferentes estações de ensaio.
37
Através de válvulas solenóides, operadas pelo controlador, é possível aplicar, gradualmente, dois níveis de pressão no sistema e, também, isolar os servo-atuadores da unidade
de potência durante interrupções normais ou de emergência. Os acumuladores tem a função de suavizar as flutuações de pressão e compensar os picos de demanda nas linhas de
pressão e retorno. O distribuidor disponibiliza pressão piloto para o circuito de controle
das servo-válvulas sem aplicar pressão nos atuadores.
• Bloco de válvulas: Sobre o bloco são montadas as válvulas que direcionam o fluido para
o acionamento do motor, o movimento do cilindro e o resfriamento do motor. O bloco
tem disponível tomadas de pressão para registrar a pressão diferencial na entrada e saída
do motor e do cilindro. A Figura 21 mostra uma imagem do bloco com as mangueiras
conectadas. As duas tampas, na parte superior, protegem o espaço reservado para as
válvulas durante a montagem ou manutenção.
Figura 21: Bloco de válvulas
• Quadro de reação: É composto por quatro elementos descritos a seguir: Mesa base, duas
colunas e fechamento superior. A função principal do quadro é estrutural, este deve suportar as forças de reação que se originam na aplicação das cargas axiais e de torção nos
elementos sendo soldados. A rigidez foi uma premissa de projeto que permite manter a
referência dos instrumentos de medição e o alinhamento inicial. O quadro também tem a
função de suportar componentes fundamentais, como o cilindro hidráulico, base de fixação e acessórios do equipamento. As colunas são utilizadas de guia para o deslocamento
da base do motor.
• Base do motor: Este dispositivo suporta o motor hidráulico e transmite o torque de reação, através de buchas poliméricas, para as colunas. A base do motor desloca-se verticalmente utilizando as colunas como guia e descarregando a força axial do cilindro na
interface de solda mediante uma gaiola, que aliás protege a integridade do motor hidráulico. Na região inferior da base está fixada a caixa de rolamentos. Nesta são montados
38
um par de rolamentos cônicos em uma disposição face a face, mostrado na Figura 22, e
o eixo que transmite o giro do motor para a pinça de fixação do consumível. Os rolamentos encontram-se em banho de óleo o qual é mantido em circulação entre a caixa e
um reservatório pelo efeito centrífugo dos rolamentos cônicos. Este fenômeno permite a
renovação constante do óleo dos rolamentos sem a utilização de bomba externa de lubrificação.
Figura 22: Esquema da caixa de rolamentos
• Sistema de controle: Composto por um controlador modelo FlexTest GT da MTS de 4
canais e um computador dedicado que permite a programação de procedimentos, calibração de sensores, visualização e registro de parâmetros de controle da estação de trabalho.
Cada canal tem duas entradas e uma saída. As entradas correspondem sinais de realimentação de controle. O sistema de solda trabalha com três sinais de entrada, a seguir: 1)
Velocidade de rotação: utiliza-se um sensor indutivo próximo ao acoplamento junto com
um condicionador externo, que geram uma voltagem proporcional às revoluções por minuto do motor; 2) Deslocamento: um sensor resistivo fixado entre o quadro de reação e a
base do motor, produzem um sinal proporcional à posição absoluta; 3) Força: uma célula
de força encontra-se entre a haste do cilindro e a base do motor o que permite controlar
a pressão na interface de união. São necessários dois sinais de saída: 1) Controle de velocidade: uma servo válvula proporcional é comandada pelo controlador para manter o
valor desejado das rpm do motor e desacelerar na etapa de frenagem; 2) Controle de força
ou deslocamento: uma servo válvula proporcional de menor porte deve controlar o deslocamento ou força exercida pelo cilindro hidráulico para permitir o posicionamento dos
componentes na montagem e aplicar carga axial durante o processo de soldagem. Com
esta configuração é necessário alocar dois canais do controlador.
A Figura 23 mostra o conceito da máquina de SFPC onde são identificáveis algumas das
partes componentes acima descritas. Para vincular o pino consumível ao eixo giratório é usado
uma pinça tipo porta-ferramenta de fresa. Este acessório facilita a montagem rápida de consumíveis sem necessidade de ranhuras ou chavetas para transmissão de torque. No suporte dos
39
corpos de prova foi implementado uma bacia de aço inoxidável que permite a realização de
soldas submersas para pesquisar a influência do ambiente nas propriedades da união e possíveis
estratégias para superar as dificuldades que este possa impor.
Figura 23: Projeto da máquina de solda por fricção
3.2
Circuito de Controle Hidráulico
A máquina de solda é controlada por dois sistemas hidráulicos independentes porém coordenados. Por um lado temos o sistema que controla a velocidade de giro do motor e, por outro,
o da força/deslocamento do cilindro. Um diagrama de blocos, aplicável a ambos os atuadores,
relaciona os diversos componentes intervenientes no sistema de controle em malha fechada,
(ver Figura 24).
Figura 24: Esquema básico de controle em malha fechada
40
O valor desejado é um sinal gerado pelo controlador em função da programação da sequência de soldagem. O comparador verifica a diferença entre o valor desejado e o valor real,
enviado pelo sensor de realimentação, gerando um sinal de erro. A este sinal é aplicada a lei de
controle com os correspondentes ganhos, que são dependentes das características do sistema,
obtendo-se o sinal de controle. A servoválvula recebe este sinal elétrico e transforma-o em uma
variação proporcional do comando hidráulico. Por sua vez, o atuador opera na direção e na
velocidade próximas ao do valor desejado, o sensor capta a variação realimentando a malha de
controle.
As servoválvulas tem a capacidade de regular dinamicamente a vazão de óleo de uma maneira proporcional. Quando uma corrente i é aplicada no motor torque, o defletor rota ligeiramente no plano da Figura 25 aumentando a resistência ao fluxo de óleo num dos bocais. Isto cria
uma diferença de pressão nos condutos de comando que desloca o carretel na direção contraria.
Com a ponta do defletor vinculada ao carretel, origina-se uma força restitutiva que equilibra o
deslocamento com o sinal de entrada, isto é, comporta-se como uma realimentação mecânica.
Desta maneira o deslocamento do carretel é proporcional ao sinal de comando i. Ao se mover o
carretel comunica a passagem de pressão de óleo P com a linha A e a passagem B com tanque
T, propiciando o movimento numa das direções.
A servoválvula apresentada na Figura 25 é utilizada para comandar o cilindro hidráulico.
Figura 25: Esquema da servoválvula MOOG - G761
Fonte: Catálogo MOOG (18)
A outra válvula, utilizada para controlar a velocidade de giro do motor, funciona sob um
principio similar, porém tem algumas diferenças importantes. O modelo D661 da Moog implementa o sistema jato-receptor. O defletor flexível é substituído por um jato de óleo direcionado
pelo motor torque na direção de receptores que se comunicam com os condutos de controle
do carretel. Por sua vez, a posição do mesmo é continuamente realimentada mediante eletrônica embarcada (ver Figura 26). Consegue-se uma resposta proporcional à corrente de entrada,
com excelente comportamento dinâmico e maior tolerância às impurezas e contaminantes presentes no fluido. Como medida de segurança, durante a reposição do consumível, um sinal de
41
habilitação a disposição do operador deve ser ativado para permitir o acionamento do motor.
Figura 26: Esquema da servoválvula MOOG D661 com sistema jato-receptor
Fonte: Catálogo MOOG (19)
O cilindro hidráulico da Figura 28 tem capacidade próxima de 50 kN a 160 bar e 220 mm de
curso. Um regulador de pressão é implementado no bloco de válvulas para limitar a pressão da
linha de comando do cilindro e proteger a célula de força ante possíveis sobrecargas. O motor
hidráulico de pistões axiais e deslocamento fixo (27) atinge uma rotação contínua máxima de
8100 rpm com uma vazão de 153 l/min. Para manter a temperatura dentro do limite de operação
o catálogo do fabricante (20) recomenda circular uma pequena vazão de óleo hidráulico através
da armadura do motor. Este requisito é atendido mediante a incorporação de uma derivação
adicional no bloco de válvulas e um regulador tipo válvula de agulha.
Com o objetivo de aumentar a estabilidade na malha de controle do motor, incrementa-se
o efeito de amortecimento hidráulico adicionando uma passagem estrangulada entre a linha de
pressão e de retorno (21).
Figura 27: Motor hidráulico Parker
Figura 28: Cilindro hidráulico
O desenvolvimento da máquina de solda foi auxiliado pela utilização de ferramentas de desenho computacional. Diferentes conceitos podem ser avaliados e descartados antes da fabricação dos componentes. O desenho assistido por computador facilita a planificação da montagem,
42
consideração dos espaços para manipulação das ferramentas e a geração de planos para fabricação. São apresentadas, lado a lado, as Figuras 29 e 30 para destacar a fidelidade do desenho
renderizado da última versão do projeto com o sistema real montado e pronto para ser testado
nas instalações do laboratório.
Figura 29: Desenho computacional
Figura 30: Estação de solda
A placa característica (tabela 4) resume a capacidade nominal dos componentes principais
do equipamento, assim como características dimensionais. A potência dispensada vai depender
das condições de funcionamento e da combinação de variáveis utilizadas durante o processo.
Tabela 4: Placa de características
Acionamento
Direto
Força Axial
± 50 kN
Curso
220 mm
Velocidade de Rotação
0 ∼ 8.100 rpm
Torque @ 200 bar
50 Nm
Potência
32 kW
Dimensões
790 x 1554 x 600 mm
43
4
MATERIAIS E MÉTODOS
4.1
Materiais
Para realizar os testes de solda por fricção são utilizados dois materiais dissimilares. Os
blocos de base são usinados em aço estrutural soldável BS 4360. A especificação da composição
química mostra-se na Tabela 5. Estes aços aplicam-se na construção de embarcações, estruturas
offshore, equipamento fora de estrada e vasos de pressão.
Especificação
BS 4360
Tabela 5: Especificação química do BS 4360
Grau C max Si Mn max P max
S
43D
0.16 0.50
1.50
0.04 0.04
Nb
0.003-0.10
Fonte: British Standard Specification,(22)
Quanto aos pinos consumíveis são preparados em SAE 4140. A especificação química
deste aço ao Cromo-Molibdénio mostra-se na Tabela 6. Um texto de referência nos tópicos
de solda (9) recomenda que este material, por vezes classificado como HTLA1 e outras como
HSLA2 , requer, devido a dureza, ser soldado numa condição de recozido, seguido por tratamento
térmico para compensar os efeitos da formação de Martensita e evitar trincas a frio.
Tabela 6: Especificação química do AISI/SAE 4140
Especificação
C
Si
Mn
P
S
Cr
SAE 4140
0.38-0.43 0.15-0.35 0.75-1.00 .035 0.04 0.8-1.1
Mo
0.15-0.25
Fonte:ASM Handbook
Para estimar a soldabilidade destes aços utiliza-se o conceito do carbono equivalente explicado no capítulo 2.
4.2
Geometria dos Componentes
Para este trabalho adotam-se geometrias com base nos resultados de pesquisas anteriores.
Investigações de parâmetros, para o processo SFPC, tiveram em conta a geometria do furo e do
pino como variável de estudo (1; 16); demonstrando que a geometria tem grande influência no
escoamento do material plastificado e exerce uma função preponderante na obtenção de reparos livres de defeitos. Dá-se ênfase no arredondamento do fundo do furo como característica
1
2
HTLA (Baixa Liga Tratável Termicamente)
HSLA (Alta Resistência Baixa Liga)
44
favorável ao total preenchimento do reparo. Especificamente, adequa-se em escala a combinação de geometrias destacados nas conclusões da referência (16), como apresentando o melhor
desempenho de quatro combinações avaliadas.
Figura 31: Geometria do Furo no Bloco
As dimensões que correspondem ao bloco são: 50 mm x 50 mm x 25 mm de espessura
sendo que o furo, com cotas mostradas na Figura 31, sendo realizado no centro da face maior.
O bloco é fixado à base por pinças de ajuste rápido e centralizado manualmente. Para solda
submersa, os blocos são posicionados dentro de uma bacia de aço inox.
Os pinos são barras cilíndricas com 10 mm de diâmetro e, aproximadamente, 100 mm de
comprimento. A forma da ponta é apresentada na Figura 32.
Figura 32: Geometria da Ponta do Pino
O desenho da Figura 33 esquematiza a seção do pino centralizado, em contato com o fundo
do furo. Observa-se a região de contato inicial, assim como a folga existente entre o pino e o
bloco. Esta diferença de diâmetro não pode ser pequena ao ponto de produzir travamento por
efeito de cunha. Por outro lado, também não pode ser ampla demais, pois o material escoaria
continuamente fazendo com que o plano de fricção permanecesse estacionário resultando num
processo diferente à SFPC. A diferença de volume deve ser compensada pelo deslocamento do
consumível.
45
Figura 33: Seção pino - bloco
4.3
Procedimento de Soldagem
A etapa prévia ao processo de soldagem é tão importante quanto o processo em si mesmo.
Consiste na limpeza e fixação dos corpos de prova de maneira a deixá-los concêntricos. Em
seguida, o consumível preso na pinça é posicionado, no modo manual, dentro do furo com
uma pré-carga de 500 N. Nesta condição o sensor de deslocamento é zerado, ou seja, para toda
análise no capítulo 5 o deslocamento zero é referido a posição correspondente a ponta do pino
em contato com o fundo do furo, ver Figura 33. Em seguida o pino é afastado alguns milímetros
e está pronto para iniciar o processo.
A implementação de sistemas de controle por computador, nos processos de fabricação e
reparo, geram um grande impacto, tanto na qualidade, velocidade e repetibilidade, como nos
custos das soldas. A Figura 34 é uma captura da tela do controlador mostrando a sequência do
programa de soldagem, descrito passo a passo seguidamente.
Figura 34: Programa de Procedimento de Soldagem
1. aumenta rotação: O primeiro passo que o controlador realiza ao receber a ordem de
INICIO, consiste no aumento da velocidade de giro do motor até o valor programado
com a taxa de velocidade especificada.
46
2. solda: Verifica que a velocidade programada foi alcançada e ativa o sub-programa solda,
dentro do qual são imediatamente iniciados os três passos seguintes.
3. detect displacement: O processo é controlado por deslocamento prescrito. Quando o
sistema detectar que o deslocamento real coincide com o programado, gera um sinal que
pode ser utilizado como gatilho para acionar uma sequência do programa.
4. data: Este passo inicia o registro de dados para pós-processamento.
5. touchdown: Juntamente inicia o deslocamento vertical descendente, controlado por força.
Utiliza-se uma taxa de carregamento baixa para suavizar o contato inicial.
6. friction force: Quando o passo anterior atinge o valor estabelecido é ativado o controle
de carga de fricção que aumenta rapidamente o carregamento e mantém a pressão sobre
o consumível. Este processo pode ser interrompido pelo detetor de deslocamento.
7. stop rotation: É ativado quando o detetor de deslocamento envia o sinal. O motor é
desacelerado bruscamente até parar a rotação.
8. forging force: Com o motor bloqueado, aplica-se o carregamento axial de forja, geralmente maior que o carregamento de fricção.
9. mantem: Alcançado o valor de forja, tem a função de manter o carregamento por um
tempo determinado.
10. forging force unload: Retira o carregamento axial do componente soldado. Fim do
processo.
Na Tabela 7 listam-se os valores configurados para cada solda. Os corpos de prova (CP) são
designados pelo código ROXX, “Run Order” mais um número sequencial de dois dígitos. O
detector de deslocamento é ajustado em 4 mm e o carregamento no contato inicial em 300 N de
compressão. A taxa de aquisição é configurada em 100 Hz, isto é, um dado a cada 0.01 s para
cada canal de registro.
Os parâmetros de processo são escolhidos em torno de valores publicados para solda por
fricção, dentro dos limites do equipamento e onde espera-se que o motor não venha a estolar. A distribuição dos carregamentos corresponde ao primeiro bloco de uma matriz de projeto
de experimento tipo central composto. É o mais popular dentre as varias classes de projetos
para metodologia de superfície de resposta, principalmente, porque contempla a experimentação sequencial. Consiste em dois níveis para cada variável controlada mais um nível central.
As combinações de carregamentos podem ser representadas num gráfico de três eixos por um
cubo, quais vértices e ponto central indicam a combinação das variáveis do processo, ver Figura 35. Esta distribuição visa facilitar a determinação da influência significativa das variáveis
controladas numa variável de resposta quantificada.
47
Tabela 7: Programação de parâmetros para os testes
CP
Velocidade, rpm Força, N Forja, N
RO01
5500
12000
24000
RO02
4000
15000
30500
RO03
7000
9000
30500
RO04
4000
9000
17500
RO05
5500
12000
24000
RO06
7000
9000
17500
RO07
7000
15000
17500
RO08
4000
15000
17500
RO09
5500
12000
24000
RO10
4000
9000
30500
RO11
7000
15000
30500
RO12
5500
12000
24000
Figura 35: Representação gráfica da matriz de teste
4.4
Testes Preliminares
Antes de completar a matriz de ensaios, foram realizados vários testes que serviram para
ajustar os ganhos do controlador assim como fazer uma avaliação geral da máquina de solda
e os dispositivos acessórios. Estes testes foram realizados em blocos de chapas de aço ASTM
A36 e pinos de aço ao carbono SAE 1020. Alguns dos corpos de prova com a configuração
apropriada para o processo de SFPC; outros, sem preparação especial, soldados diretamente a
topo.
48
4.5
Avaliação Visual
Após ter realizado as soldas, os corpos de prova são cortados por eletroerosão a fio na seção
transversal, como mostrado na Figura 36.
Figura 36: Corte por eletroerosão a fio dos CPs.
Desta maneira, é possível aproveitar um dos lado dos corpos de prova para obtenção da informação qualitativa do preenchimento do furo, união na interface e extensão da ZAC. Enquanto
que a outra metade é reservada para pesquisas futuras visando quantificar alguma propriedade
mecânica mediante ensaio destrutivo.
As superfícies a serem analisadas são sequencialmente lixadas utilizando granulometria
crescente (220, 320, 400 e 600). Em seguida, as amostras são atacadas com solução de Nital 4 %, durante 10 a 15 s.
Os resultados dos procedimentos descritos neste capítulo são apresentados e discutidos no
capítulo 5.
49
5
RESULTADOS E DISCUSSÃO
Neste capítulo, são apresentados e discutidos os resultados dos testes preliminares, da execução da matriz experimental e avaliação das macrografias.
5.1
Testes Preliminares
Testes prévios aos previstos na matriz experimental do capítulo 4 foram realizados com o
objetivo de:
• Avaliar o desempenho dos componentes da máquina.
• Ajustar os parâmetros de controle.
• Verificar a dificuldade de obtenção da junta soldada.
Atendendo o primeiro item, foi verificado o aquecimento da caixa de rolamentos. Utilizando
um termopar colado à caixa de rolamentos, observa-se periodicamente o valor de temperatura.
Após 5 minutos girando a 2000 rpm e sem carregamento atingiu o equilíbrio aos 51 ◦ C o que
foi considerado adequado. Girando acima de 6500 rpm aproximadamente, verifica-se a circulação de óleo lubrificante para o circuito externo comprovando o efeito bomba dos rolamentos
cónicos.
Foi modificado o sistema de refrigeração do motor hidráulico. Originalmente, um orifício
calibrado derivava o óleo da linha de pressão (a jusante da servoválvula) para circulação através
da carcaça do motor. Esta configuração resultava numa vazão de refrigeração dependente da
pressão na linha, ou seja, da carga no motor. Agora, uma válvula de agulha instalada a montante
da servoválvula e depois de uma reguladora de pressão envia o óleo para o lavado; independente
da carga e do acionamento da servoválvula. As curvas da Figura 37 mostram os registros de
elevação de temperatura na carcaça do motor em função do tempo e da velocidade de rotação,
sem carga, com temperatura do óleo a 44 ◦ C e fixada a posição de abertura da válvula reguladora
de fluxo de lavagem. A temperatura do motor hidráulico é um fator a ser observado, pois deve
ser mantido abaixo dos 90 ◦ C para preservar a vida útil das vedações. A execução das soldas
demora menos de 20 segundos e o funcionamento do equipamento não é contínuo, permitindo
alguns minutos de resfriamento enquanto o próximo par pino-bloco é posicionado para o teste
seguinte. Com a modificação, o fluido hidráulico continua circulando através da carcaça do
motor resfriando-o mesmo com o motor bloqueado.
As buchas guias de deslizamento tem comportamento adequado, resistindo ao momento
de giro e permitindo o deslocamento linear. Contudo, o aperto dos parafusos do suporte das
buchas guias gera um compromisso entre rigidez torsional e atrito no sentido do deslizamento.
50
Figura 37: Curvas de aquecimento do motor em função da rpm
Esta situação pode ser melhorada substituindo o material das buchas guia por outro de menor
coeficiente de atrito com o material das colunas.
As pinças utilizadas para fixar os pinos consumíveis apresentaram capacidade suficiente
para evitar o escorregamento dos pinos quando submetidos a fricção; não foram observadas
marcas de deslizamento na região de fixação do pino. Também o sistema de fixação do bloco
base é adequado para resistir às reações durante o processo. O sistema de fixação pino-bloco
é versátil, pois acomoda pinos e blocos de várias geometrias num procedimento de montagem
rápido e confiável.
Inicialmente houveram dificuldades que impediam a conclusão do processo. Situações
como travamento do motor, instabilidade no controle de força (ver Figura 38) e desempenho
deficiente do controle de velocidade do motor foram corrigidos adicionando filtros de sinal e
ajustando os ganhos do controlador. A origem deste tipo de instabilidade corresponde a correções excessivas do sistema que tendem a ocasionar oscilações de amplitude constante ou
crescente com o tempo.
Figura 38: Instabilidade no controle de força
51
Os parâmetros de controle foram ajustados realizando sucessivos testes até obter uma resposta satisfatória. Num trabalho futuro pode-se desenvolver um modelo da malha de controle
do equipamento para quantificar o desempenho dinâmico e ajustar os ganhos por procedimentos
matemáticos. Vários ensaios foram conduzidos utilizando tanto o procedimento de SFPC como
de solda por fricção a topo, uma estratégia que dispensa usinagem na preparação dos corpos de
prova e tem comportamento equivalente desde o ponto de vista do equipamento. A imagem da
Figura 39 mostra um bloco sobre o qual foram realizadas sucessivas soldas a topo, removendo
o pino com serra manual e soldando logo ao lado.
Figura 39: Soldas a topo sobre bloco
Sem se referir a qualidade da solda, durante o estágio de testes preliminares, foi verificada a
relativa facilidade de se unir efetivamente ambas as partes, bloco e pino de aço, inclusive num
teste de solda submersa. As fotografias da Figura 40 mostram a preparação da bacia com água
de torneira, o nível d’água está acima da aresta superior do bloco; à direita, o aspecto do pino
recém soldado.
Figura 40: Solda submersa
5.2
Composição Química e Soldabilidade
As composições químicas destes materiais foram determinadas através de espectrometria
de emissão óptica, modelo SPECTROLAB, sendo realizadas três queimas em cada uma das
peças, a fim de obter uma média aritmética como resultado final. Os resultados das medições
são ordenados nas Tabelas 8 e 9, para o material do bloco e do pino, respectivamente.
A partir da composição química calcula-se o valor do CE para cada um dos materiais anteriormente mencionados e que fazem parte do processo de soldagem.
52
Tabela 8: Composição química do material do bloco - BS4360
Elemento Químico
C
Si
Mn
Ni
S
Cr
P
% em massa
0.15 0.39 1.40 0.025 0.008 0.026 0.019
Fonte: Belato, (23)
Tabela 9: Composição química do material do pino - AISI 4140
Elemento Químico
C
Si
Mn
Ni
Mo
Cr
P
S
% em massa
0.37 0.27 0.88 0.040 0.15 0.96 0.019 0.005
Fonte: Belato, (23)
CE(BS 4360) = 0.15%C +
0.026%Cr 1.4%M n 0.39%Si + 0.025%N i
+
+
= 0.42%
5
6
15
(2)
CE(4140) = 0.37%C +
0.96%Cr + 0.15%M o 0.88%M n 0.27%Si
+
+
= 0.76%
5
6
15
(3)
Apesar dos critérios de soldabilidade para outros métodos de soldagem nem sempre serem
válidos para solda por fricção (11), os altos valores de CE obtidos prevêem uma certa dificuldade na obtenção de soldas livre de defeitos durante os testes.
Com base na análise metalográfica, as microestruturas do metal base e do metal de adição,
revelam-se similares, constituídas por ferrita, perlita fina e perlita grossa. No material do pino
há maior quantidade de perlita, em função do maior teor de carbono. As microestruturas apresentam textura alinhada devido à presença de perlita bandeada, característica do processo de
laminação (23).
5.3
Aquisição de Dados
Uma das principais características do equipamento é a capacidade de registrar e apresentar
as variáveis em tempo real durante a execução da solda. Montando-se um gráfico com estes
registros, obtém-se uma série de curvas como apresentadas na Figura 41. Observa-se a evolução
da velocidade de rotação, a força axial aplicada e o deslocamento do pino em função do tempo.
Destaca-se a capacidade de registrar as variáveis do processo de cada solda com alta taxa
de aquisição (100 Hz), capaz de detectar pequenas variações importantes para a pós-análise e
correlação com a caracterização dos resultados.
Para o corpo de prova RO06 foi estabelecido, conforme a matriz experimental da Tabela 7
do capítulo 4, os seguintes parâmetros de soldagem: 7000 rpm, 9 kN e 17.5 kN. A sequência
do programa (ver Figura 34, página 45) pode ser interpretada através do acompanhamento simultâneo das curvas da Figura 41. Como pode ser lido na escala da esquerda, as revoluções por
53
Figura 41: Registros do teste RO06
minuto estão no valor programado quando a aquisição começa, inicia a aplicação de carga axial,
a baixa taxa, para lograr uma aproximação suave até os 300 N de compressão, imediatamente,
aumenta a taxa de carregamento para atingir os 9 kN, lidos na escala à direita. A seta indica o
valor de programação do gatilho, como explicado na seção 4.3, que dá início a parada do motor
e sequência do programa.
Para o resto dos ensaios foram obtidos gráficos com aspecto similar ao apresentado na Figura 41, foram graficados os processo correpondentes aos corpos de prova RO03 (ver Figura
42) e RO09 (ver Figura 43).
Algumas vezes, ocorre que a força de fricção não alcança o valor desejado para o teste, pois
antes, já tem atingido o deslocamento programado.
Neste trabalho, o valor de deslocamento serve unicamente para estabelecer um critério de
procedimento. Alcançado este, o deslocamento continua a aumentar, consequência da carga
axial presente e relativa baixa taxa de frenagem. Para respeitar o valor de deslocamento o motor
deveria parar instantaneamente.
Ao analisar em detalhe cada uma das curvas consegue-se tanto avaliar o processo em si
como realizar um diagnóstico de desempenho do sistema. Em referência a última afirmação e
começando com a curva de rotação, observa-se uma oscilação da velocidade em torno do valor
de referência. Deve-se ao aumento de torque resistivo (ver Figura 2, página 17) na interface de
contato perturbando o controle de velocidade que, logo, deve ser compensado. Avançando até
a porção de frenagem, chama a atenção a desaceleração em degraus. Ocorre que a elevada taxa
de aquisição do controlador consegue registrar o tempo de resposta do condicionador de pulsos
(ver capítulo 3). Um condicionador com menor tempo de resposta deve ser implementado para
54
Figura 42: Registros do teste RO03
melhorar o desempenho da malha de controle de velocidade. Os dados de força axial também
apresentam uma particularidade que diz respeito à máquina. Em todos os testes registra-se
uma queda brusca de força, em forma de vale estreito, que, rapidamente, é restabelecida. Este
fenômeno ainda não foi explicado e merece a realização de testes específicos para compreensão
e correção desta deficiência. Duas hipóteses são: a) Há uma frequência de ressonância na faixa
de operação do equipamento; b) O segundo pico de torque no momento de desaceleração (ver
Figura2, página 17), se reflete na célula de carga, pois esta não tem uma rótula que possa isolar
momentos fletores ou torsionais. O conhecimento da evolução do torque durante o processo de
solda brinda informação relevante para o pesquisador, pois esta variável define os limites das
fases do processo, como foi apresentado na seção 2.1.2. Para tal fim, pode-se instalar uma mesa
instrumentada que registre diretamente o torque de reação na fixação da chapa base.
A rotação do motor adiciona ruído no sinal de força, pois quando o motor encontra-se bloqueado durante a aplicação do carregamento de forja, a curva não apresenta as irregularidades
observadas na porção da fase de fricção.
Graficando os registros dos ensaios tem-se informação do processo de solda e pode-se inferir particularidades no comportamento do sistema mecânico. Os testes permitiram identificar
algumas deficiências do equipamento que podem ser corregidas implementando modificações
menores. Especificamente, substituir o condicionador de sinal de rotação, por outro, de menor
tempo de resposta e trocar o material das buchas guias, por outro, de menor coeficiente de atrito
com o material da coluna.
A sequência mostrada na Figura 44 captura as imagens do processo de SFPC: quadro 1,
aproximação do consumível em rotação; quadro 2, no contato inicial algumas faiscas são visí-
55
Figura 43: Registros do teste RO09
veis; quadro 3, observa-se o material plastificado na forma de rebarba incandescente; quadro 4,
motor bloqueado e aplicação da força de recalque.
Figura 44: Sequência do processo
Numa avaliação subjetiva do processo, pode-se dizer que não causa incômodo aos olhos,
mesmo olhando diretamente para o local de maior intensidade, também não gera fumaça. Características relevantes para alocar um equipamento na planta de produção, pois dispensa a
necessidade de preparar uma área isolada com cortinas e exaustores. O processo pode ser filmado de perto sem nenhum tipo de filtro especial. Eventualmente, são desprendidas algumas
faíscas (ver quadro 2 na Figura 44), porém nenhum respingo de material foi observado.
56
5.4
Caracterização das Macrografias
Foram realizadas macrografias na região central de todas as soldas para observar a interface
de união dos componentes. A união de ambos componentes é obtida para toda as combinações
de parâmetros testados para este arranjo de materiais. Mediante as macrografias foi possível detectar uma falha característica: A falta de preenchimento nos cantos do furo, na interseção entre
a base e as paredes. Este tipo de falha deve ser corrigido alterando a geometria, principalmente
do furo como foi constatado por vários pesquisadores (1; 15; 16).
Figura 45: Macrografias dos corpos de prova. Ampliação dos vazios
Analisando a Figura 45 observa-se vazios por falta de preenchimento de diferentes tamanho
nos corpos de prova RO06, à esquerda, e RO02, à direita. O ponto crítico para obter uma solda
livre de falta de preenchimento é o raio de concordância empregado na base do furo. A variação
dos parâmetros do processo influencia no tamanho destas falhas, por tanto, pode ser utilizada
como uma maneira de compensar pequenas deficiências de geometria.
Por se tratar de um equipamento concebido para pesquisa deve ser possível alterar os parâmetros de processo dentro de uma larga faixa, porém uma máquina desenvolvida para a industria
geralmente será dimensionada para os parâmetros específicos da linha de produção correspondente, resultando num projeto mais simples e de menor custo.
A Figura 46 superpõe as macrografias resultantes com a representação espacial da matriz de
ensaios. Dentro dos limites da matriz de ensaio, o fator decisivo para uma solda livre de defeitos
é a geometria do furo. Avaliando as macrografias pode-se dizer que as melhores soldas, do ponto
de vista do preenchimento, foram obtidas para as combinações de baixa velocidade e alta carga
de fricção. As soldas realizadas a maior velocidade apresentam uma ZAC (região mais clara da
macrografía) mais larga que inicia mais perto da base do furo original.
A ampla faixa de parâmetros para as quais é obtida a solda, sugere que, quando dominadas
as relações existentes entre as variáveis controladas do processo e a microestrutura resultante,
será possível maximizar as propriedades de interesse para cada aplicação específica.
57
Figura 46: Macrografias em função da matriz de experimento
58
6
CONCLUSÕES
Foi projetada, construída e testada uma máquina para realizar soldas por fricção tipo pontual.
Dos testes apresentados neste trabalho podem ser tiradas as seguintes conclusões:
• O equipamento é adequado para realizar pesquisa de otimização de parâmetros.
• Algumas modificações podem ser implementadas para melhorar o desempenho do equipamento.
• A aquisição de dados permite ter o registro do processo de soldagem de cada corpo de
prova.
• Podem ser utilizados diferentes materiais, geometrias e ambientes.
• Modificando a sequência do programa, é possível testar diferentes estratégias de soldagem.
A concretização deste equipamento resulta o ponto de inicio para diversas pesquisas na
área de solda em estado sólido que, com certeza, resultará em beneficio para o desenvolvimento
técnico-económico da indústria nacional e regional com uma tecnologia alternativa aos métodos
de solda por fusão.
59
7
TRABALHOS FUTUROS
Durante a elaboração desta dissertação foram identificados trabalhos futuros que resultariam
numa contribuição para pesquisas na área de solda em estado sólido:
• Implementar uma mesa instrumentada para registro de torque.
• Desenvolver um dispositivo para pressurizar a bacia de solda submersa.
• Modelar matematicamente as malhas de controle.
60
REFERÊNCIAS
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(Doutorado) — Technische Universität Carolo-Wilhelmina zu Braunschwelg Fakultät für
Maschinenbau und Elektrotechnik, 2002.
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[3] BRADLEY, N. The Response Surface Methodology. Dissertação (Mestrado) — Indiana
University South Bend, 2007.
[4] STOTLER, T. Procedure development and practice considerations for inertia and directdrive friction welding. In: ASM Handbook. Welding, Brazing and Soldering. United States:
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Solid-State Welding.
[5] DUNKERTON, S. B. Procedure development and practice considerations for diffusion welding. In: ASM Handbook. Welding, Brazing and Soldering. United States: ASM International, 1994. v. 6, cap. Procedure Development and Practice Considerations for Solid-State
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Soldering. United States: ASM International, 1994. v. 6, cap. Introduction to Solid-State
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States: ASM International, 1994. v. 6, cap. Solid-State Welding, Brazing, and Soldering
Processes.
[8] THE AMERICAN SOCIETY OF MECHANICAL ENGINEERS. ASME Boiler & Pressure
Vessel Code. New York, 2004.
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[9] LIU, S.; INDACOCHEA, J. E. Weldability of steels. In: ASM Handbook. Properties and
Selection: Irons, Steels, and High-Performance Alloys. United States: ASM International,
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[10] SOMERS, R. B. Introduction to the selection of carbon and low-alloy steels. In: ASM
Handbook. Welding, Brazing and Soldering. United States: ASM International, 1994. v. 6,
cap. Selection of Carbon and Low-Alloy Steels.
[11] DIN EN ISO 15620 - Friction Welding of Metallic Materials. 2000.
[12] NICHOLAS, E. Friction processing technologies. Welding in the World, 2003.
[13] THOMAS, W. et al. FRICTION FORMING. US005469617A 28 Nov. 1995.
[14] PINHEIRO, G. A. Local Reinforcement of Magnesium Components by Friction Processing: Determination of Bonding Mechanisms and Assessment of Joint Properties. Tese (Doutorado) — GKSS - Forschungszentrum Geesthacht GmbH, Germany, 2008.
[15] SOUZA, R. J. Desenvolvimento, projeto e construção de um equipamento de reparo de
trincas por atrito. Dissertação (Mestrado) — Universidade Federal de Uberlândia, 2006.
[16] REZENDE, R. P. Efeito da geometria, da força axial e da rotação no reparo por atrito.
Dissertação (Mestrado) — Universidade de Uberlândia, 2007.
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joints. Archives of Civil and Mechanical Engineering, Politechnika Wroclawska, Wroclaw,
Poland, VII, p. 67–76, 2007.
[18] DIVISION, M. I. C. G761 Series Servovalves. Catalog.
[19] DIVISION, M. I. C. D660 Series Servo-Proportional Control Valves with Integrated Electronics. Catalog.
[20] PARKER. Hydraulic Motor/Pump Series F11/F12: Fixed Displacement. 2004. Catalog.
[21] MERRIT, H. E. Hydraulic Control Systems. [S.l.]: John Wiley & Sons, Inc., 1967.
[22] BRITISH Standard Specification BS 4360 - Weldable Structural Steels. 1990.
[23] ROSADO, D. B. ANÁLISE DE MICROESTRUTURAS EM JUNTAS SOLDADAS DE
AÇOS SAE 4140 E BS 4360 ATRAVÉS DO PROCESSO FHPP. 2009. Trabalho de Diplomação - UFRGS.
62
APÊNDICE A
FRICÇÃO
Fonte: DIN EN ISO 15620
COMBINAÇÃO DE MATERIAIS SOLDADOS POR